JP2014145300A - ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】可変バルブを備えたターボチャージャにおいて、流入される流体のエネルギー損失を抑制するとともに耐熱性をより低減させた材質でタービンハウジングを形成することができるターボチャージャを提供する。
【解決手段】タービン４０と、タービンへと流体を導くための通路が形成されているタービンハウジング１０と、旋回軸部材回りに旋回する複数の可変バルブ６３と、それぞれの旋回軸部材の一方端を支持する第１プレート６１と、それぞれの旋回軸部材の他方端を支持する第２プレート６２とを備え、通路は流入してきた流体を第１プレートと第２プレートの間へと導くように形成され、タービンハウジングに流入した流体がタービンに導かれるまでの流路は、第１プレートと第２プレートの間へ導かれるまでに流体が接触するタービンハウジングの壁面を覆う遮熱プレート７０と、第１プレート６１と、第２プレート６２と、にて形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャに関する。

従来、例えば車両に搭載する内燃機関に用いられるターボチャージャは、内燃機関の排気ガスのエネルギーをタービンで回収し、回収したエネルギーでタービンとシャフトで連結されたインペラ（コンプレッサ）を回転駆動し、回転するインペラにて吸入空気を内燃機関に過給することで、吸気効率を高め、出力及び燃費の向上に寄与している。
ここで、タービンを収容しているタービンハウジングは、タービンハウジング自身が排気ガスの通路を形成しており、非常に高温（例えば８００［℃］以上）の排気ガスが直接接触するため、非常に高い耐熱性が要求される。しかし、耐熱性の非常に高い材質を用いてタービンハウジングを形成した場合では、コスト高となるので好ましくなく、タービンハウジングの冷却能力を上げて耐熱性をより低減させた材質を用いてタービンハウジングを形成した場合では、排気ガスのエネルギーの損失量が増加する（結果的に吸気効率が低下する）ので好ましくない。

例えば特許文献１に記載された従来技術には、タービンハウジングに隣接するベアリングハウジングとタービンとの間の位置に、ベアリングハウジングへの排気ガスの熱を遮蔽する遮熱板が設けられた、（可変バルブを備えた）可変容量型過給機が開示されている。
また特許文献２に記載された従来技術には、排気ガスをタービンへと導くスクロール室と、タービンハウジングに隣接するベアリングハウジングと、の間の位置に、ベアリングハウジングへの排気ガスの熱を遮蔽する熱遮蔽板が設けられた、（可変バルブを備えた）可変タービンノズル式過給機が開示されている。
また特許文献３に記載された従来技術には、タービンハウジングにおける可動翼（可変バルブに相当）に近接する内端面を、耐酸化性に優れる耐熱材を鋳包んで形成した、（可変バルブを備えた）ターボチャージャ用タービンハウジングが開示されている。
また特許文献４に記載された従来技術には、タービンハウジングに隣接するベアリングハウジングと、タービン及びスクロール室と、の間の位置に、ベアリングハウジングへの排気ガスの熱を遮蔽する遮熱板が設けられた、（可変バルブを備えていない）過給機のタービンハウジングが開示されている。

特開２０１１−２４７１８９号公報 実開昭６１−１９２５１９号公報 特開２０００−２５７４３６号公報 実開昭６３−１８３４３２号公報

特許文献１〜特許文献３に記載された従来技術では、タービンハウジングから流れ込んだ排気ガスがタービンに至るまでのタービンハウジングの通路における熱の遮蔽を行っていないので、排気ガスのエネルギー損失をより抑制させるためには、非常に高い耐熱性を有する材質を用いてタービンハウジングを形成しなければならない。
また特許文献１及び特許文献２では、ベアリングハウジングへの熱を遮蔽するための、専用の遮熱板、熱遮蔽板を新たに設けているので、部品点数が増加している。
また特許文献４に記載された従来技術では、タービン及びスクロール室と、ベアリングハウジングと、の間の位置に、熱を遮蔽するための専用の遮熱板を新たに設けているので、部品点数が増加している。なお、タービンハウジングから流れ込んだ排気ガスがタービンに至るまでのタービンハウジングの通路の内壁を覆うようにスクロール部材が設けられているが、スクロール部材の耐熱性については特に記載が見受けられない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、可変バルブを備えたターボチャージャにおいて、流入される流体のエネルギー損失を抑制するとともに耐熱性をより低減させた材質でタービンハウジングを形成することができるターボチャージャを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係るターボチャージャは次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、流入された流体のエネルギーを用いて回転駆動されるタービンと、前記タービンを収容して前記タービンへと流体を導くための通路が形成されているタービンハウジングと、自身に設けられた旋回軸部材回りに旋回することで前記通路からの流体を前記タービンへと導く際の流体の流速を調整可能な複数の可変バルブと、それぞれの前記旋回軸部材の一方端を支持する第１プレートと、それぞれの前記旋回軸部材の他方端を支持する第２プレートと、を備え、前記通路は、流入してきた流体を前記第１プレートと前記第２プレートの間へと導くように形成されており、前記第１プレートと前記第２プレートの間へと導いた流体を、前記可変バルブを経由させて前記タービンへと導くターボチャージャである。
そして、前記タービンハウジングに流入した流体が前記タービンに導かれるまでの流路は、前記第１プレートと前記第２プレートの間へ導かれるまでに流体が接触する前記タービンハウジングの壁面を覆う遮熱プレートと、前記第１プレートと、前記第２プレートと、にて形成されている。

この第１の発明によれば、タービンハウジングに流入した流体をタービンに導くまでの流路を、第１プレートと第２プレートと遮熱プレートで形成する。
第１プレートと第２プレートは可変バルブの旋回軸部材を支持するために予め設けられているので、遮熱プレートを新たに追加するだけでよい。そして、第１プレーと第２プレートと遮熱プレートに、所定の耐熱性を持たせればよい。
また、遮熱プレートは、タービンハウジングへの熱を遮蔽するようにタービンハウジングの壁面を覆っているので、耐熱性をより低減させた材質でタービンハウジングを形成することが可能であり、タービンハウジングの冷却能力を上げる必要がないので、流入される流体のエネルギー損失を抑制することができる。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るターボチャージャであって、前記ターボチャージャは、前記タービンの回転軸であるシャフトと、前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、前記シャフトと前記軸受とを収容して前記タービンハウジングと接続されるベアリングハウジングと、を備えている。
そして、前記遮熱プレートは、一方の側の縁部が、前記タービンハウジングと、前記ベアリングハウジングと、に挟まれて固定されており、他方の側の縁部が、前記タービンハウジングと、前記第１プレートまたは前記第２プレートと、に挟まれて固定されている。

この第２の発明によれば、遮熱プレートを固定するための部品を特に必要とすることなく、シンプルな構成にて、所望する位置に遮熱プレートを固定することができる。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るターボチャージャであって、前記タービンハウジングにおいて前記タービンを回転駆動させた後の流体が導かれる吐出口には、前記吐出口の内壁の少なくとも一部を覆う筒状の吐出口遮熱手段が設けられている、あるいは、前記吐出口に接続される接続パイプを備え、前記接続パイプにおける前記吐出口の側には、前記吐出口内に収容されて前記吐出口の内壁の少なくとも一部を覆う筒状の前記吐出口遮熱手段が設けられている。

この第３の発明によれば、流体をタービンに導くまでの流路の遮熱に加えて、タービンを通過した後の流体が導かれるタービンハウジングの吐出口の遮熱を、シンプルな構成にて実現することが可能であり、耐熱性をより低減させた材質でタービンハウジングを形成することができる。

ターボチャージャの全体構造を説明する軸方向断面図である。 本実施の形態のターボチャージャにおいてタービンへと導かれる流体の流路の構造を説明する断面図である。 流体がタービンを通過した後に導かれる吐出口に設けた吐出口遮熱手段の例を説明する断面図である。 流体がタービンを通過した後に導かれる吐出口に設けた吐出口遮熱手段の例を説明する断面図である。 図２に示す流路の構造に対して、環状部材６６を追加した例を説明する図である。

以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
●［ターボチャージャの全体構造（図１）］
まず図１を用いてターボチャージャ１の全体構造について説明する。図１はターボチャージャ１の回転軸ＺＣ方向に沿った断面図を示している。なお本実施の形態では車両に搭載する内燃機関に取り付けられるターボチャージャを例にして説明する。
ターボチャージャ１は、タービンハウジング１０、吸気ハウジング２０、ベアリングハウジング３０、の３つのハウジングを有している。
ベアリングハウジング３０内には、軸受３２にて回転軸ＺＣ回りに回転可能に支持されたシャフト３１が設けられている。またタービンハウジング１０内には、タービン４０が設けられ、吸気ハウジング２０内には、インペラ５０が設けられている。
そして、シャフト３１におけるタービンハウジング１０の側の先端にはタービン４０が固定され、シャフト３１における吸気ハウジング２０の側の先端にはインペラ５０が固定されている。これにより、タービン４０とインペラ５０はシャフト３１にて連結され、タービン４０とシャフト３１とインペラ５０は、一体となって回転軸ＺＣ回りに回転可能である。
なお、ベアリングハウジング３０に設けられた冷却用の水冷ジャケット３０Ｗは、省略してもよい。

タービンハウジング１０は、内燃機関からの排気ガス（流体に相当）を流入させる排気流入口（スクロール室１０Ｓの外周部に設けられており、図示省略する）、流入させた排気ガスをタービン４０に導くスクロール室１０Ｓ、タービン４０にてエネルギーが回収された排気を吐出する排気吐出口１０Ｂ（吐出口に相当）を有している。またスクロール室１０Ｓは、流入してきた流体を第１プレート６１と第２プレート６２の間へと導く通路に相当している。
またタービンハウジング１０内には、スクロール室１０Ｓからタービン４０へと導く排気ガスの流速を調節する複数の可変バルブ６３等が設けられている。それぞれの可変バルブ６３は、自身に設けられた旋回軸部材回りに旋回し、それぞれの旋回軸Ｚ６５回りに旋回する旋回軸部材の一方端は第１プレート６１に支持され、旋回軸部材の他方端は第２プレート６２に支持されている。第１プレート６１と第２プレート６２の間隔はスペーサ６４により保持されている。なお、可変バルブ６３を駆動するためのリンク部材６５（旋回軸Ｚ６５回りに旋回可能）を駆動する駆動機構の詳細については図示及び説明を省略する。
なお、タービンハウジング１０に設けられた冷却用の水冷ジャケット１０Ｗは、省略してもよい。
また、タービンハウジング１０内には遮熱プレート７０が設けられており、この遮熱プレート７０の詳細については後述する。
吸気ハウジング２０は、内燃機関が吸入する吸気（空気）を流入させる吸気流入口２０Ａ、流入してインペラ５０にて移送（圧送）された空気の通路となるスクロール室２０Ｓ、移送（圧送）された空気の出口となる吸気吐出口（スクロール室２０Ｓの外周部に設けられており、図示省略する）を有している。また、吸気ハウジング２０内には、スクロール室２０Ｓを形成するシュラウド部材２１、スクロール部材２２が設けられている。

ここで、タービンハウジング１０には、内燃機関からの非常に高温（例えば８００[℃]以上）の排気ガスが流入する。タービンハウジング１０は、耐熱性を向上させるために、例えばニッケル等の融点の高い成分を、所望する耐熱温度に応じた含有量以上含む材質で形成されており、非常に高価となっている。
タービンハウジングに水冷ジャケット等を形成して冷却能力を向上させれば、耐熱性を低減させることが可能であり、ニッケル等の含有量を低減させることができるが、冷却能力を向上させた場合は、排気ガスのエネルギーの損失量が増加するので、あまり好ましくない。
そこで、以下に説明するように、遮熱プレート７０を用いて、タービンハウジングへの熱を適切に遮蔽することで、排気ガスのエネルギーの損失量を増加させることなく、耐熱性をより低減させた材質にてタービンハウジング１０を形成可能とする。

●［タービンハウジング１０に流入した排気ガスをタービン４０へと導く流路の耐熱構造（図２）］
図２は、本発明のターボチャージャ１の断面図である図１における可変バルブ６３及びタービン４０の周囲の拡大図である。
図２に示すように、タービンハウジング１０は、タービン４０、第１プレート６１、第２プレート６２、可変バルブ６３、スペーサ６４等を収容している。
タービンハウジング１０内に流入した高温の排気ガスは、タービン４０の外周に設けられたスクロール室１０Ｓから、第１プレート６１と第２プレート６２の間へと導かれ、可変バルブ６３を経由してタービン４０へと導かれる。

第１プレート６１と第２プレート６２は中央部が開口された略円板状の形状を有しており、可変バルブ６３の旋回軸部材を旋回可能に支持するために、予め設けられている。この第１プレート６１と第２プレート６２の材質を、例えばステンレス等、高温の排気ガスに対する耐熱性を有しているオーステナイト系の材質とする。タービンハウジング１０の体積に対して第１プレート６１と第２プレート６２の体積は充分小さいので、タービンハウジングの耐熱性を高めるよりも、コスト低減効果が大きい。
また、遮熱プレート７０は、第１プレート６１と第２プレート６２の間に排気ガスが導かれるまでに排気ガスが接触するタービンハウジング１０の壁面（スクロール室１０Ｓの壁面）を覆うことが可能な形状に形成されている。そして遮熱プレート７０の材質には、例えばステンレス等、高温の排気ガスに対する耐熱性を有しているオーステナイト系の材質が用いられている。
このように、タービンハウジング１０内に流入した排気ガスがタービン４０に導かれるまでの流路を、遮熱プレート７０、第１プレート６１、第２プレート６２、にて実質的に閉空間となるように形成することで、タービンハウジング１０への熱を遮蔽して、タービンハウジング１０の耐熱性を低減できるようにする。

また図２に示すように、ベアリングハウジング３０はボルトＢ等にてタービンハウジング１０に接続されている。また第２プレート６２は、タービンハウジング１０の内壁とほぼ接するように設けられている。この構造を利用して、遮熱プレート７０をタービンハウジング１０内に固定する。
固定方法として、遮熱プレート７０の一方の側の縁部７０Ａ（この場合、外周側の縁部）を、タービンハウジング１０とベアリングハウジング３０とで挟み込んで固定し、遮熱プレート７０の他方の側の縁部７０Ｂ（この場合、内周側の縁部）を、タービンハウジング１０と第２プレート６２とで挟み込んで固定する。
なお本実施の形態では、ベアリングハウジング３０に近い側を第１プレート６１、ベアリングハウジング３０から遠い側を第２プレート６２としているが、どちらを第１プレートと命名してもよい。ベアリングハウジング３０から遠い側を第１プレートとした場合、第１プレートとタービンハウジングとで遮熱プレートの他方の側の縁部７０Ｂを挟み込んで固定する。
これにより、シンプルな構造で遮熱プレート７０を固定することができる。また、適切なクリアランスを設けて挟み込むことで、熱膨張等による位置のずれを適切に吸収することができる。

また、タービンハウジング１０におけるスクロール室１０Ｓの外周側の内壁の形状、及びスクロール室１０Ｓの内周側の内壁の形状は、遮熱プレート７０を挿入可能となるように、回転軸ＺＣに平行な面として形成されている。
また遮熱プレート７０は、例えば厚さ０．３〜０．５［ｍｍ］のステンレス材の板金プレートで構成することができる。そして、スクロール室１０Ｓの外周側の内壁の形状、及び内周側の内壁の形状は、回転軸ＺＣに平行なストレート形状であるので、遮熱プレート７０の形状も比較的単純な形状であり、遮熱プレート７０をプレス成形することは非常に容易である。
また、遮熱プレート７０とタービンハウジング１０の内壁との間に適度な隙間を設けて空気層７０Ｓを形成しておくと、遮熱プレート７０からタービンハウジング１０に伝播される熱をより低減することができるので、より好ましい。
また、タービンハウジング１０と遮熱プレート７０の縁部７０Ａとの間、ベアリングハウジング３０と遮熱プレート７０の縁部７０Ａとの間、タービンハウジング１０と遮熱プレート７０の縁部７０Ｂとの間、のそれぞれに断熱部材を挟み込むようにしてもよい。

●［タービン４０を通過した排気ガスを吐出する排気吐出口１０Ｂの耐熱構造（図３、図４）］
図３、図４は、本発明のターボチャージャ１の断面図である図１における排気吐出口１０Ｂに吐出口遮熱手段（吐出口遮熱部材７２、接続パイプ７３）を追加した例を説明する断面図である。
図３は、タービンハウジング１０における排気吐出口１０Ｂの内壁面の少なくとも一部を覆うように、筒状の吐出口遮熱部材７２（吐出口遮熱手段に相当）を設けた例を示している。
吐出口遮熱部材７２は、例えばステンレス等、高温の排気ガスに対する耐熱性を有しているオーステナイト系の材質にて形成されている。
また、吐出口遮熱部材７２と排気吐出口１０Ｂの内壁との間に空気層７２Ｓが形成されるように吐出口遮熱部材７２を固定すると、より好ましい。

図４は、タービンハウジング１０における排気吐出口１０Ｂの内壁面の少なくとも一部を覆う筒状の吐出口遮熱部７３Ａ（吐出口遮熱手段に相当）を有する接続パイプ７３を、排気吐出口１０Ｂに接続した例を示している。接続パイプ７３における排気吐出口１０Ｂの側には、排気吐出口１０Ｂ内に収容される吐出口遮熱部７３Ａが設けられている。
この場合、排気吐出口１０Ｂに収容される吐出口遮熱部７３Ａは、例えばステンレス等、高温の排気ガスに対する耐熱性を有しているオーステナイト系の材質にて形成されている。
また、吐出口遮熱部７３Ａと排気吐出口１０Ｂの内壁との間に空気層７３Ｓが形成されるように吐出口遮熱部７３Ａを固定すると、より好ましい。
また吐出口遮熱手段における図３及び図４の他の例として、図２における第２プレート６２の排気吐出口側の端部を、排気吐出口に向けて延長するように筒状に形成して吐出口遮熱手段を構成するようにしてもよい。

以上、本実施の形態にて説明したターボチャージャは、高温の流体がタービンハウジングの内壁と接しないように、遮熱プレートと第１プレートと第２プレートにてタービンまでの流路を形成してタービンハウジングへの熱を遮蔽しているので、耐熱性をより低減させた材質でタービンハウジングを形成することができる。またタービンハウジングの冷却能力を上げる必要がないので、流入される流体のエネルギー損失を抑制することができる。
また、遮熱プレートを固定するための部品を特に必要とすることなく、非常にシンプルな構造にて、遮熱プレートを適切に固定することが可能であり、遮熱プレートの振動を適切に抑制することができる。
また、予め設けられている第１プレートと第２プレートを熱の遮蔽に利用することで、新たに追加する遮熱プレートのサイズをより小さくすることができる。
また、スクロール室の外周側の内壁、及び内周側の内壁を、回転軸ＺＣに平行な面とすることで、スクロール室内に挿入する遮熱プレートの形状をより単純な形状にすることが可能であり、遮熱プレートのプレス成形性及び組付性をより向上させることができる。
さらに、タービンハウジングの排気吐出口に吐出口遮熱手段を設けることで、タービンハウジングの材質を、さらに耐熱性を低減させた材質で形成することができる。

本発明のターボチャージャは、本実施の形態で説明した構成、構造、形状、材質等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、本実施の形態では、流路を、遮熱プレート７０、第１プレート６１、第２プレート６２、にて実質的に閉空間となるように形成していたが、これに限定されず、図５に示すように、第１プレート６１をベアリングハウジング３０側から保持する環状部材６６を、タービンハウジング１０とベアリングハウジング３０とで挟み込んで固定し、この環状部材６６と、遮熱プレート７０、第１プレート６１、第２プレート６２とを用いて実質的に閉空間を形成するようにしてもよい。
また、本発明のターボチャージャは、内燃機関を搭載した車両に限定されず、種々の用途に適用することが可能である。従って、流体は排気ガスに限定されるものではない。
また、本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。

１ ターボチャージャ
２Ａ 吸気流入口
２Ｂ 吸気吐出口
１０ タービンハウジング
１０Ｂ 排気吐出口
２０ 吸気ハウジング
２０Ａ 吸気流入口
３０ ベアリングハウジング
３１ シャフト
３２ 軸受
４０ タービン
５０ インペラ
６１ 第１プレート
６２ 第２プレート
６３ 可変バルブ
７０ 遮熱プレート
７０Ａ、７０Ｂ 縁部
７０Ｓ、７２Ｓ、７３Ｓ 空気層
７２ 吐出口遮熱部材（吐出口遮熱手段）
７３ 接続パイプ
７３Ａ 吐出口遮熱部（吐出口遮熱手段）
ＺＣ 回転軸

Claims (3)

1. 流入された流体のエネルギーを用いて回転駆動されるタービンと、
   前記タービンを収容して前記タービンへと流体を導くための通路が形成されているタービンハウジングと、
   自身に設けられた旋回軸部材回りに旋回することで前記通路からの流体を前記タービンへと導く際の流体の流速を調整可能な複数の可変バルブと、
   それぞれの前記旋回軸部材の一方端を支持する第１プレートと、
   それぞれの前記旋回軸部材の他方端を支持する第２プレートと、を備え、
   前記通路は、流入してきた流体を前記第１プレートと前記第２プレートの間へと導くように形成されており、前記第１プレートと前記第２プレートの間へと導いた流体を、前記可変バルブを経由させて前記タービンへと導くターボチャージャにおいて、
   前記タービンハウジングに流入した流体が前記タービンに導かれるまでの流路は、前記第１プレートと前記第２プレートの間へ導かれるまでに流体が接触する前記タービンハウジングの壁面を覆う遮熱プレートと、前記第１プレートと、前記第２プレートと、にて形成されている、
   ターボチャージャ。
2. 請求項１に記載のターボチャージャであって、
   前記ターボチャージャは、
   前記タービンの回転軸であるシャフトと、
   前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、
   前記シャフトと前記軸受とを収容して前記タービンハウジングと接続されるベアリングハウジングと、を備えており、
   前記遮熱プレートは、一方の側の縁部が、前記タービンハウジングと、前記ベアリングハウジングと、に挟まれて固定されており、他方の側の縁部が、前記タービンハウジングと、前記第１プレートまたは前記第２プレートと、に挟まれて固定されている、
   ターボチャージャ。
3. 請求項１または２に記載のターボチャージャであって、
   前記タービンハウジングにおいて前記タービンを回転駆動させた後の流体が導かれる吐出口には、前記吐出口の内壁の少なくとも一部を覆う筒状の吐出口遮熱手段が設けられている、
   あるいは、前記吐出口に接続される接続パイプを備え、前記接続パイプにおける前記吐出口の側には、前記吐出口内に収容されて前記吐出口の内壁の少なくとも一部を覆う筒状の前記吐出口遮熱手段が設けられている、
   ターボチャージャ。
   
   

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